化学机械平坦化解析课件.ppt

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1、第十八章 化学机械平坦化,第十八章 化学机械平坦化,本 章 目 标,1.什么是平坦化？2.列举并论述三种平坦化工艺.3.论述化学机械平坦化，硅片平整性问题，以及CMP的优点4.描述氧化物CMP和金属CMP中用的磨料和抛光垫.5.论述CMP设备，包括终点检测和磨头.6.解释CMP后清洗过程.7.列举并描述7种不同的CMP应用.,本 章 目 标1.什么是平坦化？,简单的说就是在晶片的表面保持平整平坦的工艺。 随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸缩小，要求晶片表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级 。传统的平面化技术，如选择淀积、旋转玻璃法等，仅仅能够局部平面化技术，但是对于微小尺寸特征的电子器件，必

2、须进行全局平面化以满足上述要求。90年代兴起的新型化学机械抛光技术则从加工性能和速度上同时满足了硅片图形加工的要求，是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术。,简单的说就是在晶片的表面保持平整平坦的工艺。,先进的IC需要至少6层或更多的金属布线层，每层之间由层间介质隔开，建立器件结构和多层连线会很自然地在层之间形成台阶，层数增加时，硅片的表面起伏将更加显著，而一个可接受的台阶覆盖和间隙填充对于芯片的成品率的长期可靠性是至关重要的。表面起伏的主要负面影响是在光刻时对线宽失去了控制，也难以在刻蚀后台阶上不均匀的光刻胶上制作图形。,先进的IC需要至少6层或更多的金属布线层，每层之间由层间介质,单层金

3、属IC的表面起伏剖面,+ 硅衬底p 外延层场氧化层n+n+p+p+n-阱ILD,多层金属化结构,非平坦化的IC剖面,平坦化的IC剖面,多层金属化结构,硅平坦化术语,Table 18.1,硅平坦化术语Table 18.1,平坦化的定性说明,Figure 18.2,平坦化的定性说明e) 全局平坦化a) 未平坦化b) 平,CMP在硅工艺中的位置,Used with permission from Advanced Micro Devices,Figure 18.4,CMP在硅工艺中的位置ImplantDiffusionTes,被平坦化的硅片拥有平滑的表面，填充低的部分，或去掉高的部分是使硅片表面平坦

4、化的两种方法。,被平坦化的硅片拥有平滑的表面，填充低的部分，,16.1 传统的平坦化技术,16.1.1 反刻 由表面图形形成的表面起伏可以用一层厚的介质或其它材料作为平坦化的牺牲层来进行平坦化，这一层牺牲层材料填充空洞和表面的低处。然后用干法刻蚀技术刻蚀这一层牺牲层，通过用比低处图形快的刻蚀速率刻蚀掉高处的图形来使表面平坦化。这一工艺称为反刻平坦化。,16.1 传统的平坦化技术16.1.1 反刻,反刻平坦化,反刻平坦化SiO2反刻后的,16.1.2 玻璃回流,玻璃回流是在升高温度的情况下给惨杂氧化硅加热，使它发生流动。例如，硼磷硅玻璃（BPSG）在850，氮气环境的高温炉中退火30分钟发生流动

5、，使BPSG在台阶覆盖出的流动角度大约在20度左右， BPSG的这种流动性能用来获得台阶覆盖处的平坦化或用来填充缝隙。BPSG在图形处的回流能获得部分平坦化。缺点：淀积铝金属层后就不能使用,16.1.2 玻璃回流玻璃回流是在升高温度的情况下给惨杂氧化,BPSG回流平坦化,BPSG回流平坦化BPSG,16.1.3 旋涂膜层 旋涂膜层是在硅片表面上旋涂不同液体材料以获得平坦化的一种技术，主要用作层间介质。旋涂利用离心力来填充图形低处，获得表面形貌的平滑效果。这种旋涂法的平坦化能力与许多因素有关，如溶液的化学组分、分子重量以及粘滞度。 旋涂的膜层材料是有机或无机的材料，包括光刻胶、旋涂玻璃（SOG）

6、和多种树脂。旋涂后的烘烤蒸发掉溶剂，留下溶质填充低处的间隙。,16.1.3 旋涂膜层,淀积了ILD-2氧化层的旋涂膜层,淀积了ILD-2氧化层的旋涂膜层ILD-1ILD-2淀积3),16.2 化学机械平坦化,化学机械平坦化（CMP）是一种表面全局平坦化技术，它通过硅片和一个抛光头之间的相对运动来平坦化硅片表面，在硅片和抛光头之间有磨料，并同时施加压力。CMP设备也常称为抛光机。 CMP通过比去除低处图形快的速度去除高处图形来获得均匀的硅片表面。由于它能精确并均匀地把硅片抛光为需要的厚度和平坦度，已经成为一种最广泛采用的技术。,16.2 化学机械平坦化 化学机械平坦化（C,化学机械平坦化的原理图

7、,化学机械平坦化的原理图硅片磨头转盘磨料磨料喷头抛光,CMP抛光垫,CMP抛光垫,一CMP的平整度 CMP在制造中用来减小硅片厚度的变化和表面形貌的影响。硅片的平整度和均匀性的概念在描述CMP的作用方面很重要。平整度描述从微米到毫米范围内硅片表面的起伏变化，均匀性是在毫米到厘米尺度下测量的，反映整个硅片上膜厚度的变化。因此，一个硅片可以是平整的，但不是均匀的，反之亦然。,一CMP的平整度,平整度（DP）指的是，相对于CMP之前的某处台阶高度，在做完CMP之后，这个特殊台阶位置处硅片表面的平整程度。,平整度（DP）指的是，相对于CMP之前的某处,硅片平整度的测量,硅片平整度的测量SiO2衬底Mi

8、,因此，DP与某一特殊图形有关，DP可通过下式来计算： DP(%) = （1SHpost / SHpre）100 其中，DP = 平整度 SHpost = CMP之后在硅片表面的一个特殊位置，最高和最低台阶的高度差 SHpre = CMP之前在硅片表面的一个特殊位置，最高和最低台阶的高度差 如果CMP之后测得硅片表面起伏是完全平整的，则SHpost = 0并且DP = 100%。这意味着CMP的平坦化是完美的。,因此，DP与某一特殊图形有关，DP可通过下式,有两种表达方法可以描述硅片的非均匀性：片内非均匀性（WIWNU）和片间非均匀性（WTWNU）。WIWNU用来衡量一个单独硅片上膜层厚度的变

9、化量，通过测量硅片上的多个点而获得。WTWNU描述多个硅片之间的膜层厚度的变化。,有两种表达方法可以描述硅片的非均匀性：片内非,二CMP技术的特点 CMP技术的优点： 1能获得全局平坦化； 2各种各样的硅片表面能被平坦化； 3在同一次抛光过程中对平坦化多层材料有用； 4允许制造中采用更严格的设计规则并采用更多的互连层； 5提供制作金属图形的一种方法。,二CMP技术的特点,6. 由于减小了表面起伏，从而能改善金属台阶覆盖； 7能提高亚0.5微米器件和电路的可靠性、速度和成品率； 8CMP是一种减薄表层材料的工艺并能去除表面缺陷； 9不使用在干法刻蚀工艺中常用的危险气体。,6. 由于减小了表面起伏

10、，从而能改善金属台阶覆,CMP技术的缺点： 1CMP技术是一种新技术，对工艺变量控制相对较差，并且工艺窗口窄； 2CMP技术引入的新的缺陷将影响芯片成品率，这些缺陷对亚0.25微米特征图形更关键； 3. CMP技术需要开发别的配套工艺技术来进行工艺控制和测量； 4. 昂贵的设备及运转、维护费用（经常更换化学品和零部件）。,CMP技术的缺点：,三CMP的机理 有两种CMP机理可以解释是如何来进行硅片表面平坦化的: 1) 表面材料与磨料发生化学反应生成一层相对容易去除的表面层； 2）这一反应生成的硅片表面层通过磨料中研磨机和研磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。,三CMP的机理,1氧化硅抛光:

11、氧化硅抛光是用来全局平坦化金属层之间淀积的ILD介质的。 氧化硅CMP的基本机理是磨料中的水与氧化硅反应生成氢氧键，降低了氧化硅的硬度、机械强度和化学耐久性。抛光过程中，在硅片表面会由于摩擦而产生热量，这也降低了氧化硅的硬度。这层含水的软表层氧化硅被磨料中的颗粒机械的去掉。,1氧化硅抛光: 氧化硅抛光是用来全局平坦化金属层,氧化硅抛光速率受压力和运动速率的影响。 R=KPV 其中，R是抛光速率（单位时间内磨去的氧化硅厚度） P 是所加压力 V是硅片和抛光垫的相对速度 K与设备和工艺有关的参数，包括氧化硅的硬度、抛光液和抛光垫等参数,氧化硅抛光速率受压力和运动速率的影响。,CMP 氧化硅机理,C

12、MP 氧化硅机理SiO,2金属抛光： 金属CMP的机理与氧化硅抛光的机理不同。磨料与金属表面接触并氧化它，例如在铜CMP中，铜会氧化生成氧化铜和氢氧化铜，然后这层金属氧化物被磨料中的颗粒机械地磨掉。一旦这层氧化物去掉，磨料中的化学成分就氧化新露出的金属表面，然后又被机械地磨掉，这一过程就这样重复进行。,2金属抛光：,金属CMP的机理,金属CMP的机理抛光垫2) 机械,3图形密度效应： 图形间距窄的区域，即高图形密度区域，通常比宽图形间距区域的抛光速度快。在一些情况下，当金属线紧密地挤在一起时，在CMP过程中对金属结构可能产生不必要的侵蚀。产生侵蚀的一个原因是当抛光一层覆盖的金属层时，对下面的S

13、iO2产生轻微的过抛光。在高图形密度区域，对SiO2的侵蚀要大一些。,3图形密度效应：,在高线条密度区域的CMP侵蚀,在高线条密度区域的CMP侵蚀钨互连侵蚀氧化硅,侵蚀带来的不完全通孔刻蚀问题,侵蚀带来的不完全通孔刻蚀问题SiO2在前面层间介质层,另一个不希望的CMP效果是凹陷，凹陷是指图形中央位置材料厚度的减小。它被定义为金属线条中心和SiO2层最高点的高度差。凹陷的多少与被抛光的线条宽度有关，线条越宽，凹陷就可能越多。抛光垫的硬度也对凹陷有影响。,另一个不希望的CMP效果是凹陷，凹陷是指图形中央,大图形中的CMP凹陷现象,大图形中的CMP凹陷现象氮化硅抛磨终止凹陷,四、工艺参数及设备,为了

14、更好控制抛光过程，需要详细了解每一个CMP参数所起的作用以及它们之间微妙的交互作用。然而影响化学作用和机械作用的因素很多。因此在进行化学机械抛光时要综合考虑上述各种因素，进行合理优化，才能得到满意的结果。,四、工艺参数及设备 为了更好控制抛光过程，需要详细了解,(1) 抛光压力P,抛光压力对抛光速率和抛光表面质量影响很大，通常抛光压力增加，机械作用增强，抛光速率也增加，但使用过高的抛光压力会导致抛光速率不均匀、抛光垫磨损量增加、抛光区域温度升高且不易控制、使出现划痕的机率增加等，从而降低了抛光质量。,(1) 抛光压力P 抛光压力对抛光速率和抛光表面质量影,(2) 相对速度V,在一定条件下，相对

15、速度增加，会引起抛光速率增加。如果相对速度过高会使抛光液在抛光垫上分布不均匀、化学反应速率降低、机械作用增强， 从而硅片表面损伤增大，质量下降。但速度较低，则机械作用小，也会降低抛光速率。,(2) 相对速度V 在一定条件下，相对速度增加，会引起,(3) 抛光区域温度,一般情况下工作区温度升高，加强了抛光液化学反应能力，使抛光速率增加，但由于温度与抛光速率成指数关系，过高的温度会引起抛光液的挥发及快速的化学反应，表面腐蚀严重，因而会产生不均匀的抛光效果，使抛光质量下降。但工作区温度低，则化学反应速率低、抛光速率低、机械损伤严重；因此抛光区应有最佳温度值。通常抛光区温度控制在3850 (粗抛)和2

16、030 (精抛)。,(3) 抛光区域温度 一般情况下工作区温度升高，加强了,(4) 抛光液粘度、pH 值,抛光液粘度影响抛光液的流动性和传热性。抛光液的粘度增加，则流动性减小，传热性降低，抛光液分布不均匀，易造成材料去除率不均匀，降低表面质量。但在流体动力学模型中抛光液的粘度增加，则液体薄膜最小厚度增加、液体膜在硅片表面产生的应力增加，减少磨粒在硅片表面的划痕，从而使材料去除增加。pH值对被抛表面刻蚀及氧化膜的形成、磨料的分解与溶解度、悬浮度(胶体稳定性)有很大的影响， 从而影响材料的去除率和表面质量， 因此应严格控制。,(4) 抛光液粘度、pH 值 抛光液粘度影响抛光液的流,(5) 磨粒尺寸

17、、浓度及硬度,CMP的磨粒一般有SiO2，和Al2O3其尺寸在20200 nm 之间。一般情况下，当磨粒尺寸增加，抛光速率增加。磨粒尺寸过小则易凝聚成团，使硅片表面划痕增加； 磨粒硬度增加， 抛光速率增加，但划痕增加，表面质量下降。磨粒的浓度增加时，材料去除率也随之增加，但当磨粒浓度超过某一值时，材料去除率将停止增加，维持一个常数值，这种现象可称为材料去除饱和，但磨粒浓度增加，硅片表面缺陷(划痕)增加，表面质量降低。,(5) 磨粒尺寸、浓度及硬度 CMP的磨粒一般,选择比：不同材料的抛光速率抛光时间和膜层厚度,选择比：不同材料的抛光速率,CMP设备,CMP是采用把一个抛光垫粘在转盘的表面来进行

18、平坦化，在抛光的时候一个磨头装有一个硅片，大多数的生产性抛光机都是有多个转盘和抛光垫，以适应抛光不同材料的需要。,CMP设备 CMP是采用把一个抛光垫粘在转盘的表面来进,Figure 18.15,CMP 抛光垫,Porous surfaceFigure 18.15CMP,磨头,磨头（抛光头）使硅片保持在转盘表面抛光垫的上方，磨头向下的力和相对于转盘的旋转运动能影响均匀性。在传送和抛光过程中，磨头常常用真空来吸住硅片，虽然在抛光过程中有时真空会关掉或甚至相反的加一个被压。一些磨头在硅片和磨头之间装有多层结构的衬膜，用来适应硅片的背面，补偿硅片背面合颗粒带来的不平整性。,磨头 磨头（抛光头）使硅片

19、保持在转盘表面抛光垫的上方，,CMP磨头设计,CMP磨头设计,五终点检测,终点检测是指CMP设备检测到CMP工艺把材料磨到一个正确厚度的能力。方法： 电机电流检测 光学终点检测,五终点检测 终点检测是指CMP设备检测到CMP工艺把,电机电流终点检测,电机电流终点检测电机控制器,终点检测的光学干涉,终点检测的光学干涉氧化硅硅硅片磨头,六CMP清洗 CMP清洗的重点是去除抛光工艺中带来的所有沾污物。这些沾污物包括磨料颗粒、被抛光材料带来的任何颗粒以及从磨料中带来的化学沾污物。,六CMP清洗,16.3 CMP应用,STI氧化硅抛光（停止层：氮化硅）LI氧化硅抛光（停止层：氮化硅）LI钨抛光（停止层：

20、氧化硅）ILD氧化硅抛光（无停止层）钨塞抛光（停止层：氧化硅）双大马士革铜抛光（停止层：介质）,16.3 CMP应用STI氧化硅抛光（停止层：氮化硅）,16.3.1 浅槽隔离（STI）氧化硅抛光 STI是用来在硅片表面的器件之间形成隔离区。STI已经取代硅的局部氧化技术，主要是因为STI技术在器件结构中有更高的空间使用率。,16.3.1 浅槽隔离（STI）氧化硅抛光,STI中的填充氧化层是用CMP技术磨去比氮化硅层高的所有氧化硅，从而实现平坦化。 氮化硅的作用是在CMP中作为一个抛光阻挡层，通过终点检测在从氧化硅过渡到氮化硅的时候停止抛光过程。氮化硅的厚度也决定了允许的CMP过抛光量，使抛光过

21、程不至于把器件的有源区曝露并带来损伤。,STI中的填充氧化层是用CMP技术磨去比氮化,STI填充氧化硅CMP,STI填充氧化硅CMP,16.3.2 局部互连（LI）氧化硅抛光 局部互连为实际器件提供穿过ILD-1层的金属连线。LI金属一般是钨，用来连接晶体管和衬底层上的各个端点。淀积一层掺杂氧化硅用作LI氧化硅。ILD-1氧化硅把实际器件与LI金属在电学上隔离开来，并自然地把器件和可动离子沾污等污染源隔离开来。,16.3.2 局部互连（LI）氧化硅抛光,CMP平坦化前后的LI氧化硅层,CMP平坦化前后的LI氧化硅层,13.3.3 LI钨抛光 局部互连是通过在ILD-1中制作通孔和源漏接触孔的连

22、线图形而成的。淀积在通孔中的金属钨形成钨塞，淀积在沟槽中的金属钨形成局部互连线。在淀积钨之前，先淀积一层薄的Ti/TiN复合膜，Ti改善金属钨与SiO2的粘附，TiN作为金属钨的扩散阻挡层并有助于改善源漏接触电阻。然后淀积的金属钨覆盖整个硅片表面，对通孔和沟槽进行填充。CMP是用来抛光金属钨的，同时用氧化层作抛光停止层。,13.3.3 LI钨抛光,13.3.4 ILD氧化硅抛光 淀积在金属层之间的层间介质（ILD）用来对金属导体进行电绝缘。它通常是高密度等离子体CVD淀积后，紧接着进行PECVD淀积。这是因为HDPCVD氧化层具有优良的细缝隙填充特性，而PECVD可以提高产量和降低成本。氧化层

23、用CMP抛光至特定的厚度，因为没有抛光停止层，ILD氧化层抛光需要有效的终点检测。,13.3.4 ILD氧化硅抛光,ILD 氧化层抛光,ILD 氧化层抛光,16.3.5 钨塞抛光 光刻在ILD氧化层上制出图形，通过刻蚀制出通孔。为了粘附好，先淀积一层薄的Ti，然后淀积一层TiN阻挡层，再淀积钨覆盖所有的通孔和ILD氧化层表面。接着用CMP把钨抛光至ILD氧化层表面，很方便地利用了氧化硅作为停止层。这一步制作了金属钨塞，使相邻的金属层实现了电连接。,16.3.5 钨塞抛光,16.3.6 双大马士革铜抛光 CMP用来抛光通孔和双大马士革结构中用的细铜线。 首先用光刻技术在ILD中制作出通孔和沟槽图

24、形并进行干法刻蚀，再淀积一层金属阻挡层，紧接着淀积一层薄的铜籽层，然后用电镀工艺把铜淀积到高深宽比的图形中。这些铜用CMP来平坦化，同时用介质做停止层。,16.3.6 双大马士革铜抛光,CMP用于双大马士革铜布线,CMP用于双大马士革铜布线,13.4 CMP质量测量,CMP带来的一个显著的质量问题是表面微擦痕。小而难以发现的微擦痕导致淀积的金属中存在隐藏区，可能引起同一层金属之间的短路。 微擦痕主要是由磨料中不受欢迎的颗粒沾污引起的。表13.1中列出了CMP质量测量的主要方法。,13.4 CMP质量测量 CMP带来的一个,CMP中的微擦痕,CMP中的微擦痕3) 钨CMPS,小结,3种传统平坦化技术CMP原理和优缺点CMP的应用,小结,